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金涌院士:碳中和将带来四大时代变化!只有完成这四个变迁,才能实现碳中和

01、碳中和是中国发展的必然需求联合国大会上,有121个国家提出要2050年达到碳中和,这当然是对中国有压力的。我国在提出构建人类命运共同...

01、碳中和是中国发展的必然需求

联合国大会上,有121个国家提出要2050年达到碳中和,这当然是对中国有压力的。我国在提出构建人类命运共同体的前提下,也坚持了自己的原则,也就是说应对气候变化问题,大家都有责任,责任是共同但有区别的。所以,我国提出了“争取在2060年前实现碳中和”的目标。

那么,我国为什么要做这个事,并且作为全国的一个重大发展目标呢?事实上这和我国自身的发展需求也有关系。我觉得,我国制定“双碳”目标,一方面是应对来自西方国家的压力,另一方面也是我国发展到了目前的阶段,不得不做的。

中国现在发展最大的矛盾就是能源短缺,资源不够,加上环境恶化。我国现在74%的石油是从国外进口,差不多40%至50%的天然气进口,铁矿石80%进口。我国在资源和能源上,如果还想进一步发展,就会受到这些方面的制约。

02、碳中和是环境问题,更是发展问题

我国现在要从工业化社会变成信息化社会,就必须解决我国的资源问题、能源问题、环境问题。在这种情况下,我国正好以碳中和作为一个巨大的驱动力,来驱动中国的转型。

所以说,碳中和是中国必须做的,我觉得我国通过中国人的财富、才能,是完全可以做到的,是可以解决这些问题的,我国是有自己的发展目标和任务的。

金涌院士:碳中和将带来四大时代变化!只有完成这四个变迁,才能实现碳中和

金涌院士接受《环境与生活》杂志记者采访

因此我国提出碳达峰、碳中和的目标,要知道我国现在是全世界碳排放量最大的国家,排放全球近1/3的二氧化碳。我国从碳达峰到碳中和只有30年时间,这是非常短的时间。世界上其他一些国家,从碳达峰到2050年碳中和,像英国是接近80年,美国也有40多年。我国要想很快地把这么大的二氧化碳排放量,降到碳中和的目标,困难还是很大的。

碳中和绝对不是一个单纯的能源问题或气候变化问题,而是一个深刻、广泛的经济社会系统变革,是涉及全社会的事,是一个非常非常大的目标。也可以说,碳中和将会是主导中国经济增长和转型的最大驱动力,也是我国以后经济活动最核心的部分之一。

因为是一个整体的社会变革,如果达成目标,我国就真正做到了可持续发展,我国就不会再有对国外的能源的依赖。大部分资源我国能通过循环经济解决,这样的话,中国就真正做到了可持续发展,相应的,污染也减少了。

03、产业与能源转型是目前最大的需求

为什么我国的每万元GDP能耗和发达国家有如此大的差距?根本问题在于产业结构,当然服务业少也是原因之一。改变产业结构非常重要,但是,我国也不会因此放弃制造业,因为中国是世界制造业第一大国。因此我国要发展高端制造业,向着高质量发展。

我国现在存在很多产品价值低,但二氧化碳排放量大,并且能耗很大的产业。比如钢铁,我国2019年生产了12亿吨钢,占全球钢年产量的一半。按人均产量来算,是美国的3倍。水泥就更是如此了,我国的水泥产量占全世界70%,人均水泥生产量是美国的6倍。但是问题就来了,我国未来还会再建这么多高速公路或楼房吗?

我国进入了信息化社会,产业就要发生很大变化,所以在这40年之内,可能我国会逐渐将一些产业淘汰,尤其是一些高耗能低产出的行业,要有序地退出,然后用先进的、高端的、耗能少、产值高的行业代替。这样就有机会把我国的每万元GDP能耗也降到0.1吨左右,这是完全可能实现的。所以,这将会是全行业要面临的情况。我国要从工业化社会,变成信息化社会,这样才有可能真正实现碳中和。要想经济发展和减少碳排放同时实现,就需要全社会的共同努力。

接着就是产业转型,现在我国的能源,基本都是把煤、油、天然气直接烧掉,燃烧就会产生二氧化碳。不烧不就没有二氧化碳了吗?可就目前的情况来看,不烧就没有能源了。化石能源是推动此前三次工业革命的主要力量,现在我国需要让化石能源逐渐退出,如果不烧,自然就不会有二氧化碳排放。

那么,能源问题怎么解决?我国提出碳中和目标的一个先决条件,就是我国的光伏发电和风电产业发展很好。在光伏发电和风电发展了十多年后的今天,其发电成本已经大幅下降。

现在光电、风电与火电相比,每发一度电的经济成本,已经基本相近。我国的技术已经到了这种程度,并且在这方面是领先的。我国的光电、风电发展非常好,而且现在产量、产值都是世界第一。

我国完全可以建设光电风电的发电装置来代替火力发电,也就是不用烧(燃料)了。中国的风力发电占全世界的1/3到1/4。中国出口的光电用硅板,产量占全世界70%。

另外就是电动车,我国电动车保有量约为500多万辆,也是全世界第一,当然占比还很小。电动车在未来也会成为拉动经济的重要力量。美国就很害怕,6月初美国总统拜登在“汽车城”底特律市发表演讲,说中国在电动车领域超过了美国,无论产量、市场和电池,都比美国做得好。为了赶上中国,拜登公开承诺将会投入1700亿美元补贴美国的电动车产业。

我国现在是有条件利用新的可再生能源代替火电了,技术问题都解决了,经济问题也接近解决,那么我国的环境当然会更好。以后,我国发展经济就需要考虑技术可行、经济合算、二氧化碳排放量低,这是与今后的发展吻合的。这些都是先决条件,如果没有这些条件,碳中和自然不可能实现,我国正是因为有了这些良好的基础,才有了现在的目标。

04、从化石燃料到化石材料

回到化工行业的话题,既然我国未来不烧化石燃料了,那用它做什么?首先就是石油,将来我国的汽车绝大多数会被电动车代替。这不会是十分遥远的未来,现在欧盟一些国家已经计划2030年后不再生产汽油车,而是全部变为电动车,那么传统炼油产业肯定要逐渐退出市场。相应的,要把石油做成材料,而不是变成汽油、柴油、煤油。现在,我国的传统炼油技术,80%的石油都变成了汽油、柴油、煤油,20%是石脑油。石脑油裂解再制成烯烃、芳烃。

我认为,今后这种技术路线将会改变,石油化工企业将会改变结构,不再生产燃料,而是生产材料,比如说橡胶、纤维或其他高端材料、涂料。这种转型就是石油化工的发展方向,现在已经成为全球共识。国外的一些企业已经开始着手布局这种转型,比如欧洲的道达尔公司,就要把石油的利润占比逐渐减少,现在占50%,将来要减少到30%,同时要大量发展新产业,也就是石油材料。

有了石脑油,我们就可以生产三烯三苯,也就是乙烯、丙烯、丁烯、苯、甲苯、二甲苯。就可以生产非常多的化工产品,可以说所有的石化产品,原料都是三烯三苯。

有了这些,我们就可以生产各种高分子材料。我们不再把石油烧掉,而是把碳都留在了材料中,碳对人类是非常重要的物质,碳并不坏,只是不应该让它变成温室气体跑到天上去。

所以石油总的发展方向,就是从燃料变成材料,这也是我国化工企业今后的发展方向,一方面我国不再烧石油了,减少二氧化碳排放;另一方面,企业转型为石油材料制造商,也避免了企业的损失。

最难的就是煤,煤燃烧是现在二氧化碳排放的大户。如果我们不烧煤,用它做什么?煤化工显然不是最好的选择,我国之前从事了很多年的MTO(醇制烯烃)和“煤变油”研究,我国的煤化工产量已经达到千万吨级了,过去因为油价很高,所以还有价值。但是继续发展下去,随着全球对石油的需求量越来越小,煤化工的问题也就凸显出来,一是经济效益差,二是二氧化碳排放高,因此我认为传统的煤化工技术,都将慢慢淡出市场。

那么,煤最好的出路是什么?我国需要在这方面研发出具有颠覆性的技术。事实上中国的煤资源并不多,煤储量只有美国的一半,而人口数是美国的4倍,这样算下来,美国的人均煤储量是中国的8倍。中国的煤储量只占全世界的12%,因此我国其实也不能大肆浪费煤资源。

除了需要在未来探寻颠覆性的技术外,目前我们已知的最佳利用途径,也就是煤的分质利用。煤不是单纯的碳,煤中的碳氢比是1比0.8,也就是每10个碳原子,伴有8个氢分子,如果用煤当燃料,就相当于把氢也一起烧掉了。

如果我们在烧之前,就先把碳、氢分开,也就是所谓的蓝碳技术,现在我国在这方面做得很好,但也有一些最终的技术问题没解决。这不是单纯的煤制氢技术,煤制氢技术每制造1吨氢气需要排放11吨二氧化碳,从碳中和的角度来看,煤制氢技术是要被淘汰的。

煤的分质利用,是把煤所含的碳变成焦炭或半焦,把氢拿出来利用。这些比煤热值还高的半焦,可以用于火力发电,推动蒸汽轮机,同时利用分出来的碳氢化合物挥发部分,喷在半焦发电烟道气中,再点燃一次,推动燃气轮机,这个技术就是燃气轮机-蒸汽轮机联合循环发电,这种技术的能量转化率可以达到60%,远高于传统火力发电的45%。

这样一来,煤的利用率就提高了,相应的经济价值也提高了。同时,联合循环发电中的燃气轮机可以随时启停,因此也可用于调峰发电。我认为,在未来大量使用光伏发电和风力发电之后,火电的生存空间,就是用于调峰发电。

那下一个问题就是,我们将煤分质利用后,这些半焦要如何处理?如果用来烧,还是会产生二氧化碳,所以我们也为半焦找到了出路。碳本身也是还原剂,如果把半焦加热到一定温度,碰到二氧化碳,就会把二氧化碳还原成一氧化碳。

这是我们目前正在研究的项目之一,通过这种还原,半焦就不再产生二氧化碳,反而是能将二氧化碳还原为一氧化碳的还原剂,这就成为二氧化碳减排的物质了。二氧化碳还原是吸热的,那我们同时再将一部分半焦烧掉,加入少量氧气使燃烧放热的同时,生成一氧化碳。一氧化碳可以用来制造很多的化工产品。我想这就是煤今后的出路。

目前,我们对天然气的利用存在问题,我们把天然气用来做饭,也就是民用。举例来说,我们把一壶水放在燃气灶上烧,天然气中的热量有多少进入水壶了?其实只有30%至40%,其他的热能都加热空气了,这个利用率是很低的。如果用电加热水壶烧水,热能的利用率可以达到90%以上。

所以,我认为以后的家庭将会电气化,应该把天然气用于工业。现在,我国的情况正好相反,禁止工业使用天然气,这是不符合碳中和原则的。美国电气化的家庭约占50%,欧洲一些国家已经逐渐开始禁止天然气入户了。天然气更适合用于工业生产,天然气(CH4)中每有1个碳原子,就有4个氢原子,是最好的制氢原料。很多国家都利用天然气制氢,只有中国是煤制氢,当然这也是因为我国的天然气储量很小。总的来说,未来的天然气将与工业结合,要把煤分质利用产生的一氧化碳与天然气结合,也将大幅度减少二氧化碳排放。

总而言之,我国化石能源的煤、石油、天然气,都需要其相应的产业慢慢转型,这种转型将会为二氧化碳减排做出巨大贡献。除了化石能源转型之外,利用其他的可再生能源也有助于减排。首先是生物技术,生物是利用太阳能最好的方法之一,目前比较有机会产业化的就是微藻利用,微藻在干燥后,以甘油三酯的形式固定光合作用产物,含油率可达50%至60%,并且藻类可以在海水中生长,生长速度和阳光利用率是陆生植物的4至5倍,这是生物代替化石能源的重要途径。

05、能源结构调整需要因性而谋、因势而定

从电力说起,现在我们的技术已经可以让光电风电的成本与火电持平了,但光电、风电仍然存在一个很大的缺点,就是不稳定性,所以必须有储能装置。

只有让光电、风电平稳,不波动,才能组成智能电网,储能装置的作用就在于此。因此现在电力发展的关键,就是解决储能问题。太阳辐射到地球的能量,是目前人类所需总能量的3000倍,中国有很好的条件,很多地区都适宜发展光电和风电。

对于光电和风电来说,技术有了,条件也有了,关键就是蓄电设备。目前,使用最多的蓄电设施,约占70%以上,就是利用水建立水库,用多余的电把水抽到上游,需要电力时放水推动发电。但是,仅靠这一种方式显然是不行的,我们还需要开发更多的方式储电。

我们非常看好锂电池的发展,一方面是电动车可以代替燃油车减少碳排放。另一方面,电池本身就是储电设备。我国现在机动车保有量是2.5亿辆,假设在未来,其中的1亿辆变成了电动车,在夜间不使用时充电,那这1亿辆电动车就成了储电设备,充当了调峰的角色。

所以,我也设想,今后的电动车不再搭配销售电池,而是将电池出租,或变为换电池的形式。电动车没电了,可以直接到电站充电或换电池。同时,电站与电网相结合,集中给电池充电,这就起到了储能和调峰的作用。

现在,国家也正在积极策划这方面的行动,当然对于目前的电动车保有量来说,还不足以实现,但就发展而言,这绝对是一个一举两得的措施。如果是建立大量大型的调峰电厂,将会耗费巨大的经济成本。

06、碳中和将带来四大时代变化

所以,将来中国实现碳中和,会有几个时代的变化。

第一,我国要把工业化时代,变成信息化时代。这是需要全民参加的。信息化时代、智能化时代、数字化时代,这种时代的变革会同时发生。

第二,目前的“化石能源时代”,将会变成“可再生能源时代”。这不是说我们的化石能源已经用完了,而是发展带来的变化,就好像石器时代发展到青铜时代,也不是因为石头用完了,而是因为有了炼铜技术。我们现在已经拥有了技术,那么时代的更迭就是必然的,这是很了不起的变化。当然,我还没提到核能,如果核聚变能源能投入使用,那我们之前说的那些新能源都不算什么了,就要完全变成“核能时代”了。

第三,“化石燃料时代”变成“化石材料时代”,我国要把这些化石资源进行更加科学合理的应用。

第四,就是进入到“循环经济时代”。

只有真正实现了这四个时代的变迁,才能真正做到碳中和。

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